Thèse soutenue

Microstructures émissives à cristaux photoniques en couches minces semiconductrices III-V : extraction de lumière et contrôle de la directionalité appliqués à la conversion de couleur dans les microleds

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Auteur / Autrice : Amade Ndiaye
Direction : Christian Seassal, Badhise Ben Bakir
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Électronique, micro et nano-électronique, optique et laser
Date : Soutenance le 10/01/2023
Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : INL - Institut des Nanotechnologies de Lyon, UMR5270 (Rhône) - Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble ; 1967-....)
Jury : Président / Présidente : Henri Benisty
Examinateurs / Examinatrices : Christian Seassal, Badhise Ben Bakir, Ralph Wirth, Isabelle Sagnes
Rapporteur / Rapporteuse : Henri Benisty, Dries Van Thourhout

Résumé

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Les lunettes à réalité augmentée emplissent de plus en plus notre quotidien au travers de diverses applications à la fois militaires, médicales, éducatives, etc. Pour réaliser des microécrans couleurs pour lesdites lunettes la stratégie la plus viable reste pour le moment la conversion de couleur, suivant laquelle on part de matrices de μ-LEDs bleues sur lesquelles on dépose (ou colle) des convertisseurs de couleur vert et rouge. Les convertisseurs de couleurs à l’état de l’art sont à base de boîtes quantiques, souffrant de problème de photostabilité à haute luminance ainsi que d’une faible absorption dans le bleu. L’objectif de cette thèse est la conception, l’intégration & fabrication ainsi que le test de nouvelles couches de conversions à base de puits quantiques offrant plus de photostabilité à haute luminance et une très forte absorption dans le bleu. Il s’agira en particulier de lever les verrous liés à leur faible extraction de lumière (~3%), leur diagramme d’émission pas directionnel (émission quasiLambertienne) ainsi que leur intégration sur les matrices de μ-LEDs bleues sur silicium (transfert sur des matrices bleues, process and pixellisation). Durant cette thèse nous avons d’abord conçu, fabriqué et testé les premières couches de conversions à base de multi-puits quantiques InGaP/AlGaInP et de cristaux photoniques complètement optimisées pour la conversion du bleu vers le rouge dans les lunettes à réalité augmentée. Avec lesdites couches de conversion, nous avons obtenu des exacerbations de l’extraction pouvant aller jusqu’à des facteurs 9 sur des longueurs d’extraction très faibles (~2µm). Nous avons ensuite développé un nouveau formalisme matriciel 3x3 pour la modélisation de la modification de l’émission spontanée dipolaire dans des milieux stratifiés. Ledit modèle a été appliqué à des structures en géométrie de couche mince émettant de la lumière incohérente. Avec ce modèle, nous avons pu réaliser (design et démonstration expérimentale) des couches de conversions rouges avec des émissions ultra-directionnelles (~5 fois plus directionnelles qu’une émission Lambertienne). Avec cette démonstration, nous avons aussi proposé une nouvelle méthodologie pour la conception de structures multimodes à émission très directionnelle en se basant à la fois sur le contrôle de l’émission spontanée et le mécanisme de repliement de bande en 2D. Comme l’efficacité d’extraction de lumière augmente avec la longueur du cristal photonique, les pixels avec des longueurs faibles ont toujours des efficacités d’extraction faibles. Pour pallier ce problème, nous avons développé une nouvelle approche basée sur la réplication des modes de Bloch permettant d’augmenter virtuellement l’extension latérale des pixels pour laisser aux photons la possibilité de faire plusieurs allers-retours dans la cavité avant d’être extraits. Ce principe a été modélisé et démontré expérimentalement sur des pixels rouges montrant qu’on pouvait atteindre des efficacités d’environ 40% (sachant qu’on partait de ~3%) tant que les tailles de pixels sont maintenues au-dessus de 2µm, ce qui correspond aux exigences pour les applications visées. De plus, un process flow robuste et compatible à la fabrication en salle blanche 200mm a été développé pour la fabrication de tels composants. Ces travaux sont en train d’être utilisés au LETI pour faire les premiers microécrans microled couleur à bases de couches de conversion en multi-puits quantiques.